DE3326523A1 - CONTROL VALVE WITH A CONTINUOUSLY ELECTROMAGNETIC ACTUATOR - Google Patents
CONTROL VALVE WITH A CONTINUOUSLY ELECTROMAGNETIC ACTUATORInfo
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Description
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Regelventil nach dem Oberbe-' griff des Anspruchs 1. Regelventile dieser Art werden insbesondere in der Heizungs-, Lüftungs- und KlimatechniJThe invention relates to a control valve according to the Oberbe- ' handle of claim 1. Control valves of this type are used in particular in heating, ventilation and air conditioning
verwendet.
5used.
5
Bekannte Regelventile der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art weisen den Nachteil auf, dass sich die Durchflussmenge des zu regelnden Mediums in Abhängigkeit von der Druckdifferenz ändert, welche sich aus dem jeweiligen Druck vor und nach dem Ventil ergibt. Infolge einer solchen Abhängigkeit von der Druckdifferenz ist die Regelstabilität der geregelten Anlage in Frage gestellt. Um stabile Regeleigenschaften zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass das Ventil optimal an die zu regelnde Anlage angepasst sein muss, wozu die im Betrieb auftretende Druckdifferenz bekannt sein sollte. In vielen Fällen ist die Druckdifferenz jedoch von einer Reihe von Faktoren abhängig, so dass die richtige Einschätzung im voraus nicht immer möglich ist. Ferner gibt es Anlagen, in denen sich die Druckdifferenz während des Betriebes in grossen Grenzen ändern kann.Known control valves of the type mentioned in the preamble of the claim have the disadvantage that the The flow rate of the medium to be controlled changes depending on the pressure difference that results from the respective Pressure before and after the valve results. As a result of such a dependence on the pressure difference the control stability of the controlled system is called into question. To ensure stable control properties, it is necessary that the valve must be optimally adapted to the system to be controlled, including that in operation occurring pressure difference should be known. In many cases, however, the pressure difference is of a number of Factors, so that it is not always possible to make a correct assessment in advance. There are also systems in which the pressure difference can change within large limits during operation.
Wird ein Ventil für den niedrigsten auftretenden Wert der Druckdifferenz bemessen, dann wird es zwar die volle Durchflussleistung erbringen, wird jedoch andererseits bei höheren Werten der Druckdifferenz zu gross sein. Dies deshalb, weil sich die Durchflussmenge mit dem FaktorIf a valve is dimensioned for the lowest occurring value of the pressure difference, then it will be the full one Provide flow capacity, but on the other hand will be too large at higher values of the pressure difference. this because the flow rate increases with the factor
W VW V
//j ρ erhöht. Die Folge davon ist, dass der Einfluss des
vom Regler an den Stellantrieb abgegebenen Stellsignals um diesen Faktor zu gross ist. Die Folge ist eine Beeinträchtigung
der Regelfunktion.
5// j ρ increased. The consequence of this is that the influence of the control signal sent by the controller to the actuator is too great by this factor. The consequence is an impairment of the control function.
5
Die bekannten Möglichkeiten für die Lösung dieses Problems bestehen darin, dem eigentlichen Regelorgan ein Differenzdruckregelventil vorzuschalten, so dass ersteres bei einer konstanten Druckdifferenz arbeiten kann. Es sind auch Ventilkombinationen mit eingebautem Differenzdruckregelteil bekannt, welche über eine Druckmessung vor und nach dem Ventil und mittels eines Membran- oder Kolbensystems entsprechende Korrektureinflüsse ausüben.The known possibilities for solving this problem are to add a differential pressure control valve to the actual control element upstream so that the former can work at a constant pressure difference. There are too Valve combinations with built-in differential pressure control part known, which via a pressure measurement before and after exert corresponding corrective influences on the valve and by means of a membrane or piston system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Regelventil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne zusätzliche Hilfsmittel von der Druckdifferenz weitgehend unabhängig bei einem gegebenen Stellsignal die Durchflussmenge konstant hält.The invention is based on the object of creating a control valve of the type mentioned at the outset, which without additional The flow rate is largely independent of the pressure difference for a given control signal keeps constant.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, the set object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1 solved.
Durch die erfindungsgemässe Lösung wird vor dem Bereich des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwindigkeitserhöhung des durchfliessenden Mediums erzielt. Die Folge dieser Geschwindigkeitserhöhung ist eine Reduktion des Druckes, welcher in Oeffnungsrichtung auf den Schliesskörper einwirkt. Bei dieser Reduktion des auf den Schliesskörper einwirkenden Druckes handelt es sich um die vom durchfliessenden Medium verursachten dynamischen Kräfte. Die infolge der Druckdifferenz auftretenden statischen Kräfte werden bereits durch den Balgen kompensiert.The inventive solution is in front of the area of the effective throttle cross-section, an increase in the speed of the medium flowing through is achieved. The consequence this increase in speed is a reduction in the pressure exerted on the closing body in the opening direction acts. This reduction in the pressure acting on the closing body is that of the flowing medium caused dynamic forces. The static that occur as a result of the pressure difference Forces are already compensated by the bellows.
Die auf den Schliesskörper beim Ocffnon des Ventils auftretenden dynamischen Kräfte wirken der Kraft des im Stellantrieb angeordneten Elektromagneten entgegen- Diese dynamischen Kräfte sind umso grosser, je grosser die Druckdifferenz über dem Ventil ist.The ones that occur on the closing body when the valve is opened dynamic forces counteract the force of the electromagnet arranged in the actuator dynamic forces are greater, the greater the Pressure difference across the valve.
Eine Ausführungsform nach Anspruch 2 hat den Zweck, den Durchfluss bei niedrigen Werten der Druckdifferenz gegenüber einem üblichen Ventil möglichst nicht zu reduzieren. 10An embodiment according to claim 2 has the purpose of comparing the flow rate at low values of the pressure difference not to reduce a conventional valve if possible. 10
Eine Ausführungsform nach den Ansprüchen 3 und 4 dient zur Erzielung von günstigen Strömungsverhältnissen.An embodiment according to claims 3 and 4 is used to achieve favorable flow conditions.
Auch durch eine Ausführungsform nach Anspruch 5 lassen sich die Strömungsverhältnisse weiter begünstigen.The flow conditions can also be further promoted by an embodiment according to claim 5.
Durch eine entsprechende Bemessung nach Anspruch 1 lässt sich eine Durchfluss-Kennlinie erzielen, die bei einer Druckdifferenz von etwa 1 bis 10 bar keine wesentliche Aenderung der Durchflussmenge anzeigt.By a corresponding dimensioning according to claim 1, a flow characteristic can be achieved, which at a A pressure difference of about 1 to 10 bar does not indicate any significant change in the flow rate.
An Hand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt:An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail with reference to the drawings. It shows:
Fig. 1 ein Magnetregelventil, teilweise im Längsschnitt, 1 shows a solenoid control valve, partly in longitudinal section,
Fig. 2 ein Detail nach der Figur 1 in vergrössertem Massstab,FIG. 2 shows a detail according to FIG. 1 on an enlarged scale,
Fig. 3 ein Durchfluss-Diagramm eines Ventils nach dem Stand der Technik,3 shows a flow diagram of a valve according to the prior art,
Fig. 4 ein Durchfluss-Diagramm eines Ventils gemäss der Erfindung,4 shows a flow diagram of a valve according to the invention,
Fig. 5 ein Diagramm der Regelcharakteristik des Ventils nach dem Stand der Technik undFig. 5 is a diagram of the control characteristics of the valve according to the prior art and
Fig. 6 ein Diagramm der Regelcharakteristik eines Ventils gemäss der Erfindung.6 shows a diagram of the control characteristics of a valve according to the invention.
Gemäss Fig. 1 ist auf einem Gehäuse 10 eines Durchgangsventils mittels Säulen 12 ein elektromagnetischer Stellantrieb 14 aufgebaut. Der Stellantrieb ist ein stetiger Antrieb, der den Schliesskörper 16 des Ventils gegen die Kraft einer Rückstellfeder 18 mittels eines Stössels 20 betätigt. Der Schliesskörper 16 wirkt mit einem in das Ventilgehäuse 10 eingeschraubten Ventilsitz 22 zusammen.According to FIG. 1, an electromagnetic actuator is mounted on a housing 10 of a through valve by means of columns 12 14 built. The actuator is a continuous drive that the closing body 16 of the valve against the Actuated by force of a return spring 18 by means of a plunger 20. The closing body 16 acts with one in the Valve housing 10 screwed valve seat 22 together.
Die Strömungsrichtung des zu drosselnden Mediums ist mit den beiden Pfeilen bezeichnet, von denen einer an der Einlasseite 24 und der andere an der Auslasseite 26 des Ventils dargestellt ist. An der Stellung des Schliesskörpers 16 ist ersichtlich, dass dieser durch die Kraft der Rückstellfeder 18 gegen die Strömungsrichtung schliesst, Das dem Schliesskörper 16 benachbarte Ende des Stössels 20 ist von einem Balgen 28 umgeben, der einen Hohlraum begrenzt. Der Hohlraum 30 ist über eine radial im hohlen Stössel 20 angeordnete Ausgleichsbohrung 32 mit der Auslasseite 26 des Ventils verbunden.The direction of flow of the medium to be throttled is indicated by the two arrows, one of which is on the Inlet side 24 and the other is shown on the outlet side 26 of the valve. At the position of the closing body 16 it can be seen that this closes against the direction of flow due to the force of the return spring 18, The end of the plunger 20 adjacent to the closing body 16 is surrounded by a bellows 28 which has a cavity limited. The cavity 30 is connected to the outlet side via a compensating bore 32 arranged radially in the hollow tappet 20 26 of the valve connected.
In der Fig. 2 ist die Drosselstelle des Ventils mit dem Schliesskörper 16 und dem Ventilsitz 22 in einem vergrössertem Massstab dargestellt. Es ist aus dieser Figur ersichtlich, dass der Schliesskörper 16 einen Drosselkörper 34 und einen Schliessteller 36 aufweist. Die beiden letztgenannten Teile sind mit einer Mutter 38 auf dem Ende des Stössels 20 befestigt. Der Drosselkörper 34 weist einen in Strömungsrichtung konisch erweiterten Abschnitt 40 auf.In FIG. 2, the throttle point of the valve with the closing body 16 and the valve seat 22 is enlarged Scale shown. It can be seen from this figure that the closing body 16 is a throttle body 34 and a closing plate 36. The latter two parts are with a nut 38 on the end of the Plunger 20 attached. The throttle body 34 has a section 40 that widens conically in the direction of flow.
Der Ventilsitz 22 weist im Bereich seiner Oeffnung auchThe valve seat 22 also has in the area of its opening
einen in Strömungsrichtung konisch erweiterten Abschnitt 42 auf. Die konisch erweiterten Abschnitte 40 und 42 des Drosselkörpers 34 und des Ventilsitzes 22 sind derart bemessen, dass sich bei geöffnetem Ventil zwischen dem Ventilsitz 22 und dem Drosselkörper 34 ein Ringraum 44 mit in Strömungsrichtung annähernd gleichbleibendem Querschnitt ergibt. Der sich in Strömungsrichtung verkleinernde Spalt des Ringraumes 44 dient als Ausgleich des in Strömungsrichtung zunehmenden Durchmessers.a section that widens conically in the direction of flow 42 on. The flared portions 40 and 42 of the throttle body 34 and the valve seat 22 are such dimensioned so that when the valve is open between the valve seat 22 and the throttle body 34, an annular space 44 with an approximately constant cross-section in the direction of flow. The one that diminishes in the direction of flow The gap in the annular space 44 serves to compensate for the increasing diameter in the direction of flow.
Die Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 ist als Einströmdüse ausgebildet. Der wirksame Drosselquerschnitt des Ventilsitzes 22 befindet sich in einem Bereich 48, dessen Durchmesser grosser ist als der kleinste Innendurchmesser des Ventilsitzes 22 in dem dem konisch erweiterten Abschnitt 4 2 in Strömungsrichtung vorgelagerten zylindrischen Abschnitt 50.The inflow side 46 of the valve seat 22 is designed as an inflow nozzle. The effective throttle cross-section of the Valve seat 22 is located in an area 48, the diameter of which is larger than the smallest inner diameter of the valve seat 22 in the cylindrical section upstream of the conically widened section 4 2 in the flow direction 50.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise des dargestellten Ventils näher erläutert. Dem stetig wirkenden elektromagnetischen Stellantrieb 14 wird von einem nicht dargestellten Regler, beispielsweise einem Heizungs- oder Lüftungsregler, ein elektrisches Signal zugeführt. Der Grosse dieses Signals entsprechend wird der Schliesskörper 16 eine Stellung einnehmen, die im wesentlichen durch einen Gleichgewichtszustand zwischen der jeweils vom Magneten aufgebrachten Kraft und der Kraft der Rückstellfeder 18 bestimmt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel öffnet der Schliesskörper 16 durch eine Abwärtsbewegung, indem sich der Schliessteller 36 vom Sitz 22 entfernt. Die sich dabei jeweils ergebende Durchflussmenge V des durch das Ventil strömenden Mediums ist im wesentlichen vom jeweiligen Hub des Schliesskörpers 16 abhängig.The mode of operation of the valve shown is explained in more detail below. The steadily acting electromagnetic Actuator 14 is supplied with an electrical signal by a controller (not shown), for example a heating or ventilation controller. The great According to this signal, the closing body 16 will assume a position that is essentially by a State of equilibrium between the force applied by the magnet and the force of the return spring 18 is determined. In the illustrated embodiment opens the closing body 16 by a downward movement in that the closing plate 36 moves away from the seat 22. Which in each case resulting flow rate V des through the valve flowing medium is essentially dependent on the respective stroke of the closing body 16.
Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, wie sich die Durchfluss-From Fig. 3 it can be seen how the flow
— R —- R -
menge V bei einem Ventil bekannter Bauart in Abhängigkeit von der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Δ ρquantity V for a valve of known design as a function of the pressure difference Δ ρ across the valve
bei einem gegebenen Stellsignal und damit einem gegebenen Hub des Schliesskörpers 16 ändert. Die Druckdifferenz Δ ρ entspricht dem Druckunterschied des durch das Ventil strömenden Mediums zwischen der Einlasseite 24 und der Auslassseite 26. Die genannte Abhängigkeit der Durchflussmenge V von der Druckdifferenz ^J ρ ist unerwünscht, weil dadurch die Regelstabilität der geregelten Anlage erschwert wird, falls das Ventil nicht optimal für die betreffende Anlage bemessen ist oder falls in der Anlage grössere Schwankungen der Druckdifferenz Λ ρ auftreten.at a given control signal and thus a given stroke of the closing body 16 changes. The pressure difference Δ ρ corresponds to the pressure difference of the medium flowing through the valve between the inlet side 24 and the outlet side 26. The above-mentioned dependence of the flow rate V on the pressure difference ^ J ρ is undesirable because it makes the control stability of the controlled system more difficult if the valve is used is not optimally dimensioned for the system in question or if there are major fluctuations in the pressure difference Λ ρ in the system.
Die Fig. 4 zeigt ein Durchfluss-Diagramm für ein Ventil der an Hand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Art. Aus diesem Durchfluss-Diagramm ist ersichtlich, dass die Durchflussmenge V unabhängig von der über dem Ventil herrschenden Druckdifferenz Δ. ρ im wesentlichen konstant bleibt. Die Ursache für die konstant bleibende Durchflussmenge V bei einem gegebenen Stellsignal liegt in der Formgebung des Sitzes 22 und des Schliesskörpers 16, durch welche in Strömungsrichtung gesehen bereits vor dem Bereich 4 8 des wirksamen Drosselquerschnittes eine Geschwindigkeitserhöhung des durchfliessenden Mediums verursacht wird. Dadurch wird eine Reduktion des Druckes, welcher von oben auf den Schliesskörper 16 einwirkt, erzeugt.4 shows a flow diagram for a valve of the type described with reference to FIGS. 1 and 2. From this flow diagram it can be seen that the flow rate V is independent of the pressure difference Δ. ρ remains essentially constant. The reason for the constant flow rate V at a given control signal is the shape of the seat 22 and the closing body 16, which, viewed in the direction of flow, cause an increase in the speed of the medium flowing through before the area 48 of the effective throttle cross-section. This produces a reduction in the pressure which acts on the closing body 16 from above.
Ferner werden die auf den Schliesskörper 16 infolge der über dem Ventil anstehenden Druckdifferenz Δ ρ einwirkenden Kräfte durch die Anordnung der Ausgleichsbohrung 32 und des Balgens 28 statisch kompensiert. In Verbindung mit der erwähnten Druckreduktion entsteht über dem Schliesskörper 16 beim Oeffnen des Ventils eine zusätzliche Kraft, welche der durch den Elektromagneten des Stellantriebes 14 aufgebrachten Kraft entgegenwirkt. DieseFurthermore, the forces acting on the closing body 16 as a result of the pressure difference Δ ρ existing across the valve are statically compensated for by the arrangement of the compensating bore 32 and the bellows 28. In connection with the aforementioned pressure reduction, an additional force arises over the closing body 16 when the valve is opened, which counteracts the force exerted by the electromagnet of the actuator 14. These
zusätzliche Kraft wird umso grosser, je grosser die Druckdifferenz /\ ρ ist. The greater the pressure difference / \ ρ, the greater the additional force.
Die Ausbildung der Anströmseite 46 des Ventilsitzes 22 als Einströmdüse bewirkt, dass der Durchfluss bei niedrigen Werten der Druckdifferenz Zip gegenüber einem Ventil bekannter Bauart möglichst nicht reduziert wird.The formation of the inflow side 46 of the valve seat 22 as an inflow nozzle causes the flow rate at low Values of the pressure difference Zip compared to a Valve of known design is not reduced if possible.
Durch den konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ventilsitzes 22 werden besonders günstige Strömungsverhältnisse erzielt. Eine weitere Begünstigung der Strömungsverhältnisse ergibt sich durch die beschriebene Gestaltung des Schliesskörpers 16, dessen konisch erweiterter Abschnitt 40 gemeinsam mit dem konisch erweiterten Abschnitt 42 des Ventilsitzes 22 den Ringraum 44 mit in Strömungsrichtung annähernd gleichbleibendem Querschnitt begrenzt.Through the flared section 42 of the valve seat 22 particularly favorable flow conditions are achieved. Another benefit of the flow conditions results from the described design of the closing body 16, its conically widened section 40 together with the conically widened section 42 of the valve seat 22, the annular space 44 with in the flow direction approximately constant cross-section limited.
Bei einer Abstimmung der beiden Durchmesser der Bereiche 48 und 50 des Ventilsitzes 22 sowie der äusseren Form des Schliesskörpers 16 auf den zugehörigen elektromagnetischen Stellantrieb 14 wird ein Arbeitsverhalten des Ventils gemäss den Diagrammen in den Figuren 4 und 6 erzielt. When the two diameters of the areas 48 and 50 of the valve seat 22 and the external shape are coordinated of the closing body 16 on the associated electromagnetic actuator 14 is a working behavior of the Valve achieved according to the diagrams in Figures 4 and 6.
Aus der Figur 6 geht hervor, wie sich der Hub 52 des Schliesskörpers 16 bei verschiedenen Werten von Δ ρ in Abhängigkeit von dem dem Ventil zugeführten Stellsignal ändert. Ein vergleichbares Diagramm für ein Ventil bekannter Bauart zeigt die Figur 5. Die einzige im Diagramm der Figur 5 dargestellte Kurve 56 ist auf alle Werte von Δ ρ bezogen.FIG. 6 shows how the stroke 52 of the closing body 16 changes at different values of Δ ρ as a function of the control signal supplied to the valve. A comparable diagram for a valve of known design is shown in FIG. 5. The only curve 56 shown in the diagram in FIG. 5 relates to all values of Δ ρ.
Durch die aus den Diagrammen der Figuren 4 und 6 ersichtlichen Eigenschaften erhält das erfindungsgemässe Ventil eine differenzdruckadaptive Arbeitscharakteristik. DieseThe valve according to the invention is given by the properties evident from the diagrams in FIGS. 4 and 6 a differential pressure adaptive working characteristic. These
bewirkt, dass die Durchflussmenge im eigentlichen Arbeitsbereich nicht von der Druckdifferenz ^Jp , welche vor und nach dem Ventil herrscht, beeinflusst wird.causes the flow rate in the actual work area not of the pressure difference ^ Jp, which before and after the valve prevails, is influenced.
Obwohl als Ausführungsbeispiel ein Durchgangsventil gewählt wurde, ist es auch denkbar, das gleiche Prinzip bei einem Dreiwegventil anzuwenden.Although a through valve was chosen as the embodiment, it is also conceivable to use the same principle to be used with a three-way valve.
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Claims (8)
15that the section (42), which has an increasing diameter in the direction of flow, is widened conically.
15th
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Legal Events
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